高效設計交互平臺構(gòu)建及應用

摘 要：文章重點探討了實現(xiàn)高效研發(fā)設計交互的必要性，通過智能化設計工具搭載基于Web協(xié)同設計理念實現(xiàn)多系統(tǒng)集成的高效設計交互平臺，可解決企業(yè)諸如“信息孤島、設計不規(guī)范、手工操作繁瑣”等問題，如：將開發(fā)設計軟件與產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（PLM）、項目管理系統(tǒng)等集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時交互，確保數(shù)據(jù)準確性、減少重復工作，最終實現(xiàn)高效設計的目的。

關鍵詞：TFT-LCD；高效設計；交互平臺；智能化

1 高效設計交互平臺應用背景

1.1 行業(yè)發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代制造技術的飛速發(fā)展和先進設計手段的出現(xiàn)，導致傳統(tǒng)設計方法已難以滿足時代的需求，特別是產(chǎn)品的設計要求不斷提高，設計對象由單機走向系統(tǒng)，設計要求由單目標走向多目標，設計領域由某一領域走向多個領域，產(chǎn)品設計方法復雜，設計需求更新加快[1]，導致整個過程由單一的設計者獨立完成勢必造成設計周期長、成本高、問題多發(fā)等問題。多學科、多系統(tǒng)、多領域的智能化協(xié)同設計平臺是實現(xiàn)高效設計的有效方式之一[2]。

高效智能化設計交互平臺使不同領域的專家共同參與產(chǎn)品開發(fā)設計，要求從產(chǎn)品的整體性質(zhì)和功能出發(fā)，綜合整體與各組成要素之間的相互關系，以提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

1.2 BOE高效研發(fā)設計的困難點

難點一：目前BOE各組織采取職級式管理，而產(chǎn)品開發(fā)需要跨組織協(xié)同推進，僅通過項目組推進無法有效打破職級式管理壁壘，實現(xiàn)高效運作，如：信息有效傳遞、任務高效執(zhí)行、職責明確劃分等問題。

難點二：過多繁雜的工作捆綁著設計工程師，使其不能專注研發(fā)，如：概念設計驗證階段樣品邀請、品質(zhì)送檢、實驗室測試數(shù)據(jù)；設計驗證階段樣品組裝、信賴性測試；產(chǎn)品驗證階段EN投產(chǎn)、產(chǎn)品Issue解決等大量溝通協(xié)調(diào)、搬運勞動等不斷重復進行。

難點三：設計交互平臺及智能化工具應用程度低，設計系統(tǒng)間以及設計系統(tǒng)與管理系統(tǒng)間信息完全獨立，形成企業(yè)信息孤島，導致工程師需要不斷在各個系統(tǒng)間進行手動維護數(shù)據(jù)，工作量大、而且錯誤頻發(fā)。

2 高效設計交互平臺介紹

在這樣的環(huán)境及背景下，我們應該考慮實現(xiàn)高效設計、打破企業(yè)信息孤島現(xiàn)象及降低產(chǎn)品開發(fā)成本等，而高效設計交互平臺是可以有效幫助我們解決以上問題，下面就介紹一下高效設計交互平臺的概念及構(gòu)建方法。

2.1 高效設計交互平臺概念

高效設計交互平臺是由智能化設計工具搭載協(xié)同設計平臺來實現(xiàn)。通過智能化工具實現(xiàn)一部分設計過程自動化，再利用Web協(xié)同設計平臺建立統(tǒng)一的設計標準和管理規(guī)范，應用計算機和網(wǎng)絡技術形成平臺化建設。平臺是通過一定的信息交換和相互協(xié)同機制，分別以不同的設計任務共同完成該設計目標。協(xié)同設計平臺就是在計算機和網(wǎng)絡系統(tǒng)的支撐下處理上述的信息變換和相互協(xié)同機制的軟件系統(tǒng)。（如圖2所示）

2.2 協(xié)同設計平臺的分類

（1）在體系結(jié)構(gòu)上可分為集中式、分布式、摁合式結(jié)構(gòu)，在局域網(wǎng)范圍內(nèi)，參與協(xié)同人數(shù)不是很多的情況下，采用集中式結(jié)構(gòu)是合理的。

（2）協(xié)同設計系統(tǒng)在時間上可分為同步協(xié)同設計和異步協(xié)

同設計，為保證協(xié)同設計系統(tǒng)的完整性，對同步和異步都提供支持從而減少現(xiàn)行各專業(yè)之間（以及專業(yè)內(nèi)部）由于溝通不暢或溝通不及時導致的錯、漏、碰、缺，真正實現(xiàn)所有設計信息元的統(tǒng)一性，實現(xiàn)一處修改其他自動修改，提升設計效率和設計質(zhì)量[3]。

智能設計工具是以設計方法學為指導，以人工智能技術為實現(xiàn)手段。借助計算機編程技術在知識處理上的強大功能，結(jié)合設計數(shù)據(jù)和圖形處理工具，通過輸入設計目標Spec，系統(tǒng)自動生成設計方案或設計圖，從而實現(xiàn)了設計過程自動化[4]，而且還需要考慮到與各種設計軟件集成，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)交換接口。再提供強大的人機交互功能，使設計師對智能設計過程的干預，即人工智能融合成為可能。

綜合國內(nèi)外關于智能設計的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，智能設計按設計能力可以分為三個層次：常規(guī)設計、聯(lián)想設計和進化設計。文章結(jié)合最基礎的常規(guī)類智能設計進行介紹，即：設計屬性、設計進程、設計策略規(guī)劃為基礎，在智能系統(tǒng)推理機的作用下，調(diào)用符號模型（如規(guī)則、語義網(wǎng)絡、框架等）進行自動化或半自動化設計[5]。

2.3 高效設計交互平臺實現(xiàn)的關鍵點

高效設計交互平臺的構(gòu)建包括智能化設計工具制作和協(xié)同化設計平臺搭建。協(xié)同設計平臺采用集中式或分布式結(jié)構(gòu)，同步和異步協(xié)同兼容的設計平臺，實現(xiàn)的關鍵點包括：

關鍵點1：智能設計工具制作，首先要具備設計過程的再認識，智能設計工具的制作取決于對設計過程本身的理解，需要對設計過程的每一個細節(jié)進行邏輯劃分，通過系統(tǒng)編程語言描述設計的邏輯關系從而實現(xiàn)簡單的自動化設計[5]。

關鍵點2：設計制約關系表示，設計過程是一個非常復雜的過程，它涉及到多種不同類型知識的應用，因此，約束管理是產(chǎn)品開發(fā)過程中，各個子任務之間存在各種相互制約相互依賴的關系，其中包括設計規(guī)范和設計對象的基本規(guī)律、各種一致性要求、當前技術水平和資源限制以及用戶需求等構(gòu)成了產(chǎn)品開發(fā)中的約束關系。產(chǎn)品開發(fā)的過程就是一個在保證各種約束滿足的條件下，進行約束求解的過程[3]。

關鍵點3：多專家系統(tǒng)協(xié)同技術，較復雜的設計過程一般可分解為若干個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)對應一個專家系統(tǒng)，多個專家系統(tǒng)協(xié)同合作、信息共享，由此設計協(xié)同化平臺的搭建就實在必行。產(chǎn)品協(xié)同設計平臺需多個設計參與者在計算機支持環(huán)境中，互相合作地完成整個設計任務。設計任務往往比較復雜，需要進行任務分解，將子任務分配給各參與者，使設計任務簡單化，以便有序地完成整個設計任務。產(chǎn)品設計過程可被定義為過程結(jié)構(gòu)樹，它可以進一步分解為一組子項目，子項目由一組過程單元組成，而過程單元還可以進一步分解為子過程單元，整個過程是一個遞歸過程[6]。

關鍵點4：協(xié)同設計的知識管理模型構(gòu)建，由于復雜產(chǎn)品的研制涉及多部門、多企業(yè)，還存在異地多企業(yè)PLM系統(tǒng)集成以及不同版本的信息共享問題，因此協(xié)同設計環(huán)境需要集成多學科工具，包括ERP和PLM系統(tǒng)的異構(gòu)。其創(chuàng)建、管理和維護工作復雜、困難，數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)有效性方面都需要協(xié)同平臺提供支持[7]。

關鍵點5：除了必需的軟硬件環(huán)境外，面向產(chǎn)品的協(xié)同設計系統(tǒng)時還需滿足協(xié)同流程的特殊要求：能集成一個聯(lián)結(jié)CAD、CAE和CAPP等各種工程軟件工具的框架，為公司內(nèi)部部門或多個合作公司之間提供分布式/集中式系統(tǒng)設計開發(fā)環(huán)境。

關鍵點6：以Web為載體的知識庫能被該系統(tǒng)所編譯、調(diào)用和配置，并能遠程實時利用這些軟件資源；協(xié)同流程中不同節(jié)點的異地執(zhí)行可以通過在PLM基礎上擴充的PDM系統(tǒng)功能，針對不同客戶需求，動態(tài)地組織資源，使之能參與到特定的項目工作之中[8]。

關鍵點7：智能化人機接口，良好的人機接口對智能設計系統(tǒng)是十分必要的，對于復雜的設計任務以及設計過程中的某些決策活動，在設計專家的參與下，可以得到更好的設計效果，從而充分發(fā)揮人與計算機各自的長處[4]。

3 行業(yè)內(nèi)成功的應用案例

在行業(yè)內(nèi)應用高效設計交互平臺構(gòu)建理論并實現(xiàn)應用的企業(yè)有很多，他們已經(jīng)擁有協(xié)同設計平臺應用實際及豐富的成功經(jīng)驗，下面介紹幾個典型的案例：

3.1 奇瑞汽車應用上述的基本思路構(gòu)建了基于PDM協(xié)同化設計平臺，可有效的實現(xiàn)高效設計并取得了可觀的經(jīng)濟效益

奇瑞PDM協(xié)同設計平臺共分九個階段建設，通過基礎數(shù)據(jù)及業(yè)務流程梳理，建立協(xié)同設計標準化規(guī)范，最終通過Teamcenter系統(tǒng)構(gòu)建協(xié)同設計平臺。平臺的構(gòu)建使奇瑞汽車擁有了標準的設計研發(fā)流程，問題解析DMU系統(tǒng)，通過協(xié)同設計平臺的搭建有效整合公司各類資源，實現(xiàn)高效的協(xié)同作業(yè)。（如圖3、圖4所示）

通過整個PDM系統(tǒng)的實施和應用，PDM對于整個公司的經(jīng)濟效益顯著：（1）減少設計變更，大大降低了研發(fā)資金。從整個研發(fā)流程來看，產(chǎn)品數(shù)據(jù)凍結(jié)后的更改控制占總研發(fā)費用的一大部分，虛擬評審體系的建立減少的設計變更每年為公司帶來直接效益多達1.2億；（2）產(chǎn)品數(shù)據(jù)準確率提高15%～40%；

（3）產(chǎn)品數(shù)據(jù)屬性準確性提高10%～20%；（4）產(chǎn)品數(shù)據(jù)和BOM匹配率15%～50%；（5）提高產(chǎn)品數(shù)據(jù)沿用率25%～45%；（6）由于研發(fā)周期縮短、等從而降低的成本一般可達15%～22%；（7）提高標準件和通用件的重用度，降低研發(fā)成本：奇瑞50萬輛車/年，5%的通用產(chǎn)量，每年可節(jié)約1～1.5億人民幣。

3.2 基于Teamcenter的協(xié)同設計

各種CAD軟件設計的產(chǎn)品及零部件都可以統(tǒng)一的在Teamcenter中進行實時的管理。多CAD協(xié)同設計Teamcenter可以和各種CAD進行無縫的緊密集成，實時共享WIP數(shù)據(jù)、發(fā)布數(shù)據(jù)、Baseline?？梢匀轿坏闹С諧AD的各種建模過程及自頂向下、自底向上的設計模式（如圖5所示）。在整個設計過程中，支持BOM的實時雙向同步（CAD到Teamcenter），屬性的雙向映射，并且可以全面支持CAD的關聯(lián)設計，例如柔性裝配、變型件、部件家族、Wave鏈接、大裝配等。

Teamcenter的社區(qū)協(xié)同功能可以建立一個安全且適用性強的環(huán)境，使分散在不同地點的多領域團隊能夠在整個產(chǎn)品生命周期中使用豐富的產(chǎn)品數(shù)據(jù)實時地進行合作。

在可視化數(shù)據(jù)協(xié)同的基礎上，建立虛擬團隊，使公司的內(nèi)部不同部門或不同區(qū)域的員工、與它們的供應商、結(jié)盟合作伙伴及可信任的客戶在一個協(xié)同社區(qū)內(nèi)進行協(xié)作，更方便地進行概念研究、計劃評審、設計評審、工程變更評審等，有助于產(chǎn)品的決策，減少時間和商務成本，增加了交流的機會和參與者，提高了創(chuàng)新能力及產(chǎn)品質(zhì)量，使產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行實時交互。

4 BOE的高效設計平臺搭建

根據(jù)奇瑞汽車和Teamcenter的案例可以看出，在行業(yè)內(nèi)協(xié)同設計平臺已被廣泛關注并且有很多成功案例，BOE為適應行業(yè)的快速發(fā)展趨勢應借鑒成功經(jīng)驗盡早部署屬于BOE自己的高效設計交互平臺。

4.1 BOE高效設計交互平臺現(xiàn)狀

為搭建BOE高效設計交互平臺，前期我們做了充分調(diào)研，調(diào)研顯示，BOE系統(tǒng)信息各自獨立管理、設計變更頻繁，重復手動設計工作多，導致工作量大，效率低而且錯誤頻發(fā)?，F(xiàn)階段問題點及對策進展：

（1）系統(tǒng)間信息交互不暢，即“企業(yè)信息孤島”，可以通過建立系統(tǒng)間信息交互平臺來解決；將設計軟件與管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)信息自動同步傳輸，可大幅度縮減手動重復維護數(shù)據(jù)的工作量和錯誤發(fā)生率；目前進展是：正在推進 “電路設計軟件與PLM系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動交互”。

目前PLM與電路設計系統(tǒng)間數(shù)據(jù)管理有三方面問題：a.新物料創(chuàng)建時，工程師需要對物料號及其屬性在PLM系統(tǒng)和設計軟件中重復填寫，導致工作量大且容易出錯；b.設計軟件中Part No.信息狀態(tài)長期缺失維護，導致冗余，從而影響B(tài)OM準確性；c.設計圖紙完成后，BOM需要手動反復修改確認再導入PLM系統(tǒng)，工作量大且容易出錯。鑒于以上問題，提出“物料屬性交互、物料狀態(tài)交互、一鍵導入BOM”改善方案，目前正在推進中。

（2）設計變更頻繁可以通過建立協(xié)同設計平臺解決；如果能將Mask設計、Cell設計、電路設計、機光設計進行串接，利用Web協(xié)同設計理念形成集中式或分布式、異步/同步兼容的協(xié)同設計平臺，跟蹤設計進展的同時設計條件相互約束，并在限制條件下充分利用，做到無縫拼接設計，可以大幅度減少設計工作量和錯誤率，此部分需要大量基礎數(shù)據(jù)信息支持及各專業(yè)的專家共同參與檢討，涉及范圍廣，影響較大所以暫未啟動。

（3）重復手動設計工作，可以通過智能化設計工具進行解決。例如，在研發(fā)設計過程中仍需要手動進行大量繁瑣的電路PCB Layout布線，Mask制圖，Cell周邊設計等不斷的重復工作，而智能化自動化設計雖不能完全替代人工設計，卻可以實現(xiàn)小模塊協(xié)助設計，從而幫助工程師簡化設計工作，降低錯誤率，實現(xiàn)高效開發(fā)。

目前B4 Cell設計中Panel周邊設計模塊（如圖6所示）。通過Eclipse基于Java的可擴展開發(fā)平臺開發(fā)了Cell周邊智能化設計工具，工程師僅需要將產(chǎn)品設計規(guī)格輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)會自動完成四個角的周邊設計工作還可以通過輸入數(shù)值按需調(diào)整設計圖紙，真正實現(xiàn)高效自動化設計，此功能可以大幅度減少設計工作量、設計時間以及設計錯誤發(fā)生率，其中設計效率可提升83%。

4.2 BOE高效設計交互平臺規(guī)劃

結(jié)合高效設計交互平臺搭建理論及行業(yè)成功案例，對BOE高效設計交互平臺規(guī)劃如下：

（1）礎數(shù)據(jù)交互平臺完善，對于設計相關基礎設計信息，如產(chǎn)品設計規(guī)格、測試數(shù)據(jù)、物料屬性、BOM信息等建立合理高效的信息交互平臺，保證多系統(tǒng)間信息同步并保證信息的準確性。

（2）協(xié)同設計平臺盡早搭建，首先在基礎數(shù)據(jù)交互平臺的基礎上，再完善協(xié)同設計規(guī)范及統(tǒng)一標準，最后實現(xiàn)基于Web或TC的協(xié)同設計平臺的構(gòu)建，實現(xiàn)無縫拼接設計，減少不必要的設計變更工作，從而大幅度提升設計效率及設計準確性。

（3）利用計算機網(wǎng)絡技術結(jié)合設計原理，盡可能多的研發(fā)智能化設計工具，可大幅度減少設計工程師重復手動設計工作。

5 結(jié)束語

文章結(jié)合目前國內(nèi)制造行業(yè)發(fā)展趨勢及目前BOE設計方面的困境介紹了高效設計交互平臺。平臺基于Web/TC的原型系統(tǒng)支持跨系統(tǒng)和網(wǎng)絡環(huán)境下對各設計系統(tǒng)間或與管理仿真系統(tǒng)之間方便的數(shù)據(jù)共享，還可以和各類智能化工具進行集成應用，如PLM、ERP等系統(tǒng)集成方案相結(jié)合，真的實現(xiàn)產(chǎn)品設計協(xié)同化、智能化，最大程度的節(jié)省開發(fā)成本、縮短開發(fā)日程、提高產(chǎn)品開發(fā)效率。

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作者簡介：張晨陽（1985，4-），男，漢族，黑龍江牡丹江人，佳木斯大學學士，主要從事制造型企業(yè)標準化管理工作。